В настоящее время лазерные технологии получили значительное развитие и представляют достаточно распространенный в промышленности процесс обработки материалов. Это поверхностная обработка материалов, термоупрочнение, сварка, резка, фотохимические процессы, разделение изотопов и т. д. [37−44, 65, 66, 68, 70, 86]. Лазерные установки и технологические линии в настоящее время применяются во многих отраслях производства [36, 64, 67, 71, 72, 75, 77]. По экономическим показателям они успешно конкурируют с традиционными средствами обработки материалов.
Но если на начальном этапе преимущественное развитие получили лазерные технологии, основанные только на неуправляемом тепловом действии лазерного излучения, то в последнее время все большее внимание уделяется возможности избирательного воздействия лазерного излучения на те или иные процессы при обработке материала [46]. Это связано с тем, что большой объем информации, содержащийся в энергетических, спектральных, пространственно-временных характеристиках лазерного излучения, открывает возможности лазерного управления процессами в веществе, включая саму область лазерного воздействия. Анализ и обработка этой информации непосредственно в ходе технологического процесса позволит контролировать свойства обрабатываемого материала и направлять его в нужном направлении.
Для диагностики процессов, индуцированных лазерным излучением, требуются высокоточные, бесконтактные и малоинерционные методы наблюдения и регистрации. Разработанные на сегодняшний момент методы контроля не позволяют в полной мере оценить всю картину взаимодействия лазерного излучения с веществом, в частности, процессы, происходящие на поверхности вещества, их пространственные и временные характеристики. Основная проблема визуального контроля при больших плотностях 5 мощности лазерного излучения — наличие плазменного факела над обрабатываемой поверхностью, экранирующего область воздействия. Для решения этих задач представляют значительный интерес системы регистрации с так называемым лазерным монитором (лазерный усилитель яркости изображения поверхности, ССБ-камера, компьютер), который позволяет получать изображения обрабатываемой поверхности сквозь излучение экранирующей плазмы в реальном времени [26−32, 100].
Таким образом, создание системы диагностики, обработки информации и управления лазерным технологическим процессом в реальном времени на основе лазерного монитора является актуальной проблемой и соответствует современным потребностям производства на базе новейших достижений науки и техники.
Цели работы является разработка новых методов получения и обработки информации в лазерных технологических процессах при их диагностике в реальном времени с помощью оптического усилителя яркости, их реализация и апробация в условиях эксплуатации на практике. Исходя из цели, задачи исследования сводятся к следующим:
1. Изучение информационных составляющих изображения поверхности, полученного при помощи лазерного монитора, в процессе воздействия на нее излучения технологического лазера.
2. Разработка методики получения и обработки информации для управления лазерными технологическими процессами с учетом пространственных и временных изменений, происходящих на поверхности вещества при воздействии лазерного излучения.
3. Создание системы контроля и управления лазерными технологическими процессами в реальном времени на основе визуализации области воздействия.
4. Разработка алгоритмов обработки информации в процессе управления лазерными технологическими процессами. 6.
5. Создание необходимого программного обеспечения для использования результатов исследования на практике.
Методы исследования. В работе использовались оригинальные методы обработки информации (включая оптическую обработку информации), математического моделирования, а также достижения микропроцессорной техники и устройств, современные методы автоматизированных экспериментальных исследований.
Научная новизна работы состоит в разработке новых методов получения и обработки информации с помощью лазерного монитора при проведении лазерных технологических процессов, а также диагностики в реальном времени состояния поверхности материалов при воздействии лазерного излучения и сводится к следующим результатам:
1. Разработка новых методов получения и обработки информации с помощью лазерного монитора при проведении лазерных технологических процессов.
2. Разработка новых диагностических систем реального времени на основе оптического усилителя яркости с компьютерной обработкой информации для управления лазерными технологическими процессами.
3. Создание устройств для контроля параметров лазерного усилителя и исследования пространственно-временных характеристик оптического изображения обрабатываемой поверхности материала.
4. Разработка алгоритма формирования изображения в лазерном усилителе яркости, с учетом дифракционных и нелинейных искажений.
Практическая ценность работы заключается в том, что включенные в диссертационную работу результаты получены автором при проведении следующих НИР: «Разработка методического обеспечения технологических экспериментов по лазерной обработке материалов» — «Высокоточный лазерный диагностико-технологический комплекс с управлением на основе систем искусственного интеллекта для обработки сложных объемных.
7 — изделий в интересах промышленных предприятий региона" - «Разработка методов визуального контроля технологических процессов (сварка, резка и т. д.) при помощи монитора на основе лазера на парах меди» — «Высокоточный лазерный диагностико-технологический комплекс с управлением на основе систем искусственного интеллекта для обработки сложных объемных изделий и контроля качества обрабатываемой поверхности в реальном масштабе времени» — «Лазерно-индуцированные процессы и неустойчивости металлов и в слоистых структурах и их диагностика при помощи лазерного усилителя яркости» — «Лазерные термохимические процессы на поверхности материалов и в слоистых структурах устройств оптоэлектроники» — «Разработка автоматизированного комплекса для визуализации, контроля и управления при помощи лазерного монитора лазерными технологическими процессами при обработке изделий оптоэлектроники» — «Физика лазеров и лазерные системы, новые применения в науке, технике и технологии» — «Новые физические принципы оптической диагностики вещества в реальном масштабе времени на базе разработки методов повышения эффективности излучения СОг — лазера и использования лазерного монитора» — «Стохастические процессы и неустойчивости при воздействии мощных лазерных пучков на вещество и их визуализация при помощи лазерного монитора» — «Математическое и физическое моделирование высокотемпературных гидродинамических неустойчивостей» (прил. П.2). Перечень результатов имеющих практическую ценность:
1. Разработана и создана установка для визуализации процессов лазерной обработки поверхности материала в реальном времени (лазерный монитор).
2. Предложены устройства для контроля параметров лазерного усилителя непосредственно в процессе воздействия на вещество, которые позволяет путем контроля параметров лазерного излучения увеличивать точность и достоверность информации получаемой во время технологического процесса. 8.
3. Реализована разработанная методика измерения температурной зависимости поверхности обрабатываемого объекта по интенсивности оптического излучения, отраженного от нее, которая позволяет получать информацию о развитии процессов в металлах при лазерном воздействии.
4. Созданы устройства для измерения частотных характеристик процессов, индуцированных лазерным излучением на поверхности материала, которые дают информацию о природе возникающих неустойчивостей.
5. Разработана и создана система управления для автоматизации процесса обработки поверхности материала, особенностью которой является визуальный контроль обрабатываемой поверхности.
6. Внедрено программное обеспечение, которое позволяет управлять процессом лазерной обработки поверхности материала с выполнением следующих функций: формирование задания, управление внешними устройствами, первичная обработка и сохранение полученной в ходе работы информации, а также управление микропроцессором, входящим в состав установки.
Предложенные и внедренные технические решения обеспечивают повышение надежности и точности производимых измерений, гибкость к вносимым изменениям, осуществление контроля при управлении технологическими процессами, а также реализацию простого интерфейса общения при сохранении широкого спектра решаемых задач.
Реализация и внедрение. Основные теоретические и практические результаты были получены автором в рамках следующих проектов и программ федерального и регионального назначения: по линии Минобразования РФ — Межвузовская научно техническая программа «Лазеры и лазерные технологии», «Оптотехнология», Университеты РоссииФундаментальные исследования, Федеральная целевая программа «Интеграция» — по линии Миннауки РФ — в рамках единой региональной научно-технической программы Миннауки РФ и Администрации 9.
Владимирской области «Создание автоматизированных лазерных комплексов». Новые теоретические и практические результаты диссертационной работы нашли применение в учебном процессе при подготовке студентов специальностей прикладная математика, лазерная техника и технология и др. и внедрены на ряде предприятий (прил. П.2).
На защиту выносится следующая совокупность новых научных результатов и научно-обоснованных технических решений в рамках рассматриваемой проблемы:
1. Система получения и обработки информации на основе оптического усилителя яркости в лазерных технологических процессах.
2. Оригинальные устройства для диагностики, контроля и управления процессом лазерной обработки материала.
3. Методы оценки информационных составляющих изображения области лазерного воздействия на вещество в пространстве и во времени с использованием компьютерной обработки визуальной информации и пространственно-временных распределений яркости изображения.
4. Результаты экспериментальных исследований и практического применения разработанной системы при решении конкретных задач обработки информации в лазерных технологических процессах.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на 12 международных научных и научно-технических конференциях.
Публикации. По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 14 работ.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы, имеющего 120 наименований, в том числе 14 работ автора. В работе приведено 44 рисунка. Общий объем диссертации 186 е., в том числе 2 с. содержания, 117 с. основного текста, 11с. списка литературы, 55 с. приложения.
Выводы:
АКТ ВНЕДРЕНИЯ.
Системы сбора и обработки информации на основе лазерного монитора, разработанной Даниловым С. Ю. при выполнении им диссертационной работы «Обработка информации в лазерных технологических процессах при их диагностике в реальном времени с помошью оптического усилителя яркости» .
Настоящий акт подтверждает, что программное обеспечение, разработанное и изготовленное Даниловым С. Ю. для системы сбора и обработки информации на основе лазерного монитора внедрено в разработки, выполняемые МЛЦ МГУ.
Практическое использование разработанного программного обеспечения системы позволило увеличить объем информации при исследованиях лазерно-икдуиированных процессов на поверхности вещества, проводимых в МЛЦ МГУ.
Зам. директора МЛЦ МГУ доиент.
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК.
ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ЛАЗЕРНЫХ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ.
1.4!> •¦'>'") 11|-1тур:.1 м'" >'¦'^ояской обл, ул Святоозерскэя, 1. ИПЛИТ РАН. Тел '>9 645) .' '¦¦'¦! Факс '?-25−32 Р-тяИ (чггигггЗЯаалг тс"! т.-ф «¡-и К» I НИ f Д Р к H и я на n-Mi.i > >м1!ьк>к-рнон обработки информации, |щ (рабоI.iiiiioii Г. Ю, Даниловым при кип""/тении им 'шссертационной работы и про m, i отменной uni обработки информации" и («. :|¦ц-миоп с помощью лазерного монитора.
I lac поящий акт h. vi i исрждасп, чи" разработанная С. Ю. Даниловым система ¦)М11ыогорной оирабомчм информации полученной с помощью лазерного монитора, ядрена в разработки. :"r.it (tняомые ИПЛИТ, и позволяет производить детальное зучение (и i/iai не гике и и динамике) процессов на поверхности материала при нерпой обработке.
Практическое применение компьютерной обработки позволило увеличить 5ъем обрабатываемой информации получаемой в исследованиях процессов на эперхност иещеетна при мощном кмерпом воздействии.
АКТ ВНЕДРЕНИЯ системы сбора и обработки информации на основе лазерного монитора, разработанной Даниловым С. Ю. при выполнении им диссертационной работы.
Настоящий акт подтверждает, что разработанная и изготовленная Даниловым С. Ю. система сбора и обработки информации, состоящая из лазерного усилителя на основе лазера на парах меди, проецирующей оптической системы. ССО-камеры и компьютера, позволит осуществлять наблюдение за поверхностью вещества во время лазерного воздействия на него с разрешением не хуже 2 мкм и частотой регистрации не менее 25 Гц через плазменный факел.
Использование данной системы в лазерной технике позволит осуществлять контроль и управление ходом лазерной обработки материала. Практическое применение разработанной системы позволит количественно и качественно повысить информативность при исследованиях лазерно-индуцированных процессов на поверхности вещества, производимых на предприятии.
Главный металлург ФГУП ВПО «Точмаш «.
Сл рижак А. Г.
